share/man/man7/arch.7

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   2 .\"
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  22 .\" HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
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  24 .\" OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  25 .\" SUCH DAMAGE.
  26 .\"
  27 .\" $FreeBSD$
  28 .\"
  29 .Dd March 8, 2020
  30 .Dt ARCH 7
  31 .Os
  32 .Sh NAME
  33 .Nm arch
  34 .Nd Architecture-specific details
  35 .Sh DESCRIPTION
  36 Differences between CPU architectures and platforms supported by
  37 .Fx .
  38 .Ss Introduction
  39 This document is a quick reference of key ABI details of
  40 .Fx
  41 architecture ports.
  42 For full details consult the processor-specific ABI supplement
  43 documentation.
  44 .Pp
  45 If not explicitly mentioned, sizes are in bytes.
  46 The architecture details in this document apply to
  47 .Fx 11.0
  48 and later, unless otherwise noted.
  49 .Pp
  50 .Fx
  51 uses a flat address space.
  52 Variables of types
  53 .Vt unsigned long ,
  54 .Vt uintptr_t ,
  55 and
  56 .Vt size_t
  57 and pointers all have the same representation.
  58 .Pp
  59 In order to maximize compatibility with future pointer integrity mechanisms,
  60 manipulations of pointers as integers should be performed via
  61 .Vt uintptr_t
  62 or
  63 .Vt intptr_t
  64 and no other types.
  65 In particular,
  66 .Vt long
  67 and
  68 .Vt ptrdiff_t
  69 should be avoided.
  70 .Pp
  71 On some architectures, e.g.,
  72 .Dv powerpc
  73 and AIM variants of
  74 .Dv powerpc64 ,
  75 the kernel uses a separate address space.
  76 On other architectures, kernel and a user mode process share a
  77 single address space.
  78 The kernel is located at the highest addresses.
  79 .Pp
  80 On each architecture, the main user mode thread's stack starts near
  81 the highest user address and grows down.
  82 .Pp
  83 .Fx
  84 architecture support varies by release.
  85 This table shows the first
  86 .Fx
  87 release to support each architecture, and, for discontinued
  88 architectures, the final release.
  89 .Pp
  90 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Initial Release" "Sy Final Release"
  91 .It Sy Architecture Ta Sy Initial Release Ta Sy Final Release
  92 .It aarch64     Ta 11.0
  93 .It alpha       Ta 3.2   Ta 6.4
  94 .It amd64       Ta 5.1
  95 .It arm         Ta 6.0   Ta 12.x
  96 .It armeb       Ta 8.0   Ta 11.x
  97 .It armv6       Ta 10.0
  98 .It armv7       Ta 12.0
  99 .It ia64        Ta 5.0   Ta 10.4
 100 .It i386        Ta 1.0
 101 .It mips        Ta 8.0
 102 .It mipsel      Ta 9.0
 103 .It mipselhf    Ta 12.0
 104 .It mipshf      Ta 12.0
 105 .It mipsn32     Ta 9.0
 106 .It mips64      Ta 9.0
 107 .It mips64el    Ta 9.0
 108 .It mips64elhf  Ta 12.0
 109 .It mips64hf    Ta 12.0
 110 .It pc98        Ta 2.2   Ta 11.x
 111 .It powerpc     Ta 6.0
 112 .It powerpcspe  Ta 12.0
 113 .It powerpc64   Ta 6.0
 114 .It riscv64     Ta 12.0
 115 .It riscv64sf   Ta 12.0
 116 .It sparc64     Ta 5.0   Ta 12.x
 117 .El
 118 .Ss Type sizes
 119 All
 120 .Fx
 121 architectures use some variant of the ELF (see
 122 .Xr elf 5 )
 123 .Sy Application Binary Interface
 124 (ABI) for the machine processor.
 125 All supported ABIs can be divided into two groups:
 126 .Bl -tag -width "Dv ILP32"
 127 .It Dv ILP32
 128 .Vt int ,
 129 .Vt long ,
 130 .Vt void *
 131 types machine representations all have 4-byte size.
 132 .It Dv LP64
 133 .Vt int
 134 type machine representation uses 4 bytes,
 135 while
 136 .Vt long
 137 and
 138 .Vt void *
 139 are 8 bytes.
 140 .El
 141 .Pp
 142 Some machines support more than one
 143 .Fx
 144 ABI.
 145 Typically these are 64-bit machines, where the
 146 .Dq native
 147 .Dv LP64
 148 execution environment is accompanied by the
 149 .Dq legacy
 150 .Dv ILP32
 151 environment, which was the historical 32-bit predecessor for 64-bit evolution.
 152 Examples are:
 153 .Bl -column -offset indent "Dv powerpc64" "Sy ILP32 counterpart"
 154 .It Sy LP64        Ta Sy ILP32 counterpart
 155 .It Dv amd64       Ta Dv i386
 156 .It Dv powerpc64   Ta Dv powerpc
 157 .It Dv mips64*     Ta Dv mips*
 158 .It Dv aarch64     Ta Dv armv6/armv7
 159 .El
 160 .Pp
 161 .Dv aarch64
 162 will support execution of
 163 .Dv armv6
 164 or
 165 .Dv armv7
 166 binaries if the CPU implements
 167 .Dv AArch32
 168 execution state, however
 169 .Dv armv5
 170 binaries aren't supported.
 171 .Pp
 172 On all supported architectures:
 173 .Bl -column -offset -indent "long long" "Size"
 174 .It Sy Type Ta Sy Size
 175 .It short Ta 2
 176 .It int Ta 4
 177 .It long Ta sizeof(void*)
 178 .It long long Ta 8
 179 .It float Ta 4
 180 .It double Ta 8
 181 .El
 182 .Pp
 183 Integers are represented in two's complement.
 184 Alignment of integer and pointer types is natural, that is,
 185 the address of the variable must be congruent to zero modulo the type size.
 186 Most ILP32 ABIs, except
 187 .Dv arm ,
 188 require only 4-byte alignment for 64-bit integers.
 189 .Pp
 190 Machine-dependent type sizes:
 191 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy void *" "Sy long double" "Sy time_t"
 192 .It Sy Architecture Ta Sy void * Ta Sy long double Ta Sy time_t
 193 .It aarch64     Ta 8 Ta 16 Ta 8
 194 .It amd64       Ta 8 Ta 16 Ta 8
 195 .It armv6       Ta 4 Ta  8 Ta 8
 196 .It armv7       Ta 4 Ta  8 Ta 8
 197 .It i386        Ta 4 Ta 12 Ta 4
 198 .It mips        Ta 4 Ta  8 Ta 8
 199 .It mipsel      Ta 4 Ta  8 Ta 8
 200 .It mipselhf    Ta 4 Ta  8 Ta 8
 201 .It mipshf      Ta 4 Ta  8 Ta 8
 202 .It mipsn32     Ta 4 Ta  8 Ta 8
 203 .It mips64      Ta 8 Ta  8 Ta 8
 204 .It mips64el    Ta 8 Ta  8 Ta 8
 205 .It mips64elhf  Ta 8 Ta  8 Ta 8
 206 .It mips64hf    Ta 8 Ta  8 Ta 8
 207 .It powerpc     Ta 4 Ta  8 Ta 8
 208 .It powerpcspe  Ta 4 Ta  8 Ta 8
 209 .It powerpc64   Ta 8 Ta  8 Ta 8
 210 .It riscv64     Ta 8 Ta 16 Ta 8
 211 .It riscv64sf   Ta 8 Ta 16 Ta 8
 212 .El
 213 .Pp
 214 .Sy time_t
 215 is 8 bytes on all supported architectures except i386.
 216 .Ss Endianness and Char Signedness
 217 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Endianness" "Sy char Signedness"
 218 .It Sy Architecture Ta Sy Endianness Ta Sy char Signedness
 219 .It aarch64     Ta little Ta unsigned
 220 .It amd64       Ta little Ta   signed
 221 .It armv6       Ta little Ta unsigned
 222 .It armv7       Ta little Ta unsigned
 223 .It i386        Ta little Ta   signed
 224 .It mips        Ta big    Ta   signed
 225 .It mipsel      Ta little Ta   signed
 226 .It mipselhf    Ta little Ta   signed
 227 .It mipshf      Ta big    Ta   signed
 228 .It mipsn32     Ta big    Ta   signed
 229 .It mips64      Ta big    Ta   signed
 230 .It mips64el    Ta little Ta   signed
 231 .It mips64elhf  Ta little Ta   signed
 232 .It mips64hf    Ta big    Ta   signed
 233 .It powerpc     Ta big    Ta unsigned
 234 .It powerpcspe  Ta big    Ta unsigned
 235 .It powerpc64   Ta big    Ta unsigned
 236 .It riscv64     Ta little Ta   signed
 237 .It riscv64sf   Ta little Ta   signed
 238 .El
 239 .Ss Page Size
 240 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Page Sizes"
 241 .It Sy Architecture Ta Sy Page Sizes
 242 .It aarch64     Ta 4K, 2M, 1G
 243 .It amd64       Ta 4K, 2M, 1G
 244 .It armv6       Ta 4K, 1M
 245 .It armv7       Ta 4K, 1M
 246 .It i386        Ta 4K, 2M (PAE), 4M
 247 .It mips        Ta 4K
 248 .It mipsel      Ta 4K
 249 .It mipselhf    Ta 4K
 250 .It mipshf      Ta 4K
 251 .It mipsn32     Ta 4K
 252 .It mips64      Ta 4K
 253 .It mips64el    Ta 4K
 254 .It mips64elhf  Ta 4K
 255 .It mips64hf    Ta 4K
 256 .It powerpc     Ta 4K
 257 .It powerpcspe  Ta 4K
 258 .It powerpc64   Ta 4K
 259 .It riscv64     Ta 4K
 260 .It riscv64sf   Ta 4K
 261 .El
 262 .Ss Floating Point
 263 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy float, double" "Sy long double"
 264 .It Sy Architecture Ta Sy float, double Ta Sy long double
 265 .It aarch64     Ta hard Ta soft, quad precision
 266 .It amd64       Ta hard Ta hard, 80 bit
 267 .It armv6       Ta hard Ta hard, double precision
 268 .It armv7       Ta hard Ta hard, double precision
 269 .It i386        Ta hard Ta hard, 80 bit
 270 .It mips        Ta soft Ta identical to double
 271 .It mipsel      Ta soft Ta identical to double
 272 .It mipselhf    Ta hard Ta identical to double
 273 .It mipshf      Ta hard Ta identical to double
 274 .It mipsn32     Ta soft Ta identical to double
 275 .It mips64      Ta soft Ta identical to double
 276 .It mips64el    Ta soft Ta identical to double
 277 .It mips64elhf  Ta hard Ta identical to double
 278 .It mips64hf    Ta hard Ta identical to double
 279 .It powerpc     Ta hard Ta hard, double precision
 280 .It powerpcspe  Ta hard Ta hard, double precision
 281 .It powerpc64   Ta hard Ta hard, double precision
 282 .It riscv64     Ta hard Ta hard, double precision
 283 .It riscv64sf   Ta soft Ta soft, double precision
 284 .El
 285 .Ss Default Tool Chain
 286 .Fx uses a variety of tool chain components for the supported CPU
 287 architectures:
 288 .Xr clang 1
 289 and
 290 .Xr ld.lld 1
 291 provided by the base system,
 292 GNU
 293 .Xr gcc 1
 294 and Binutils
 295 .Xr ld 1 ,
 296 or an external toolchain compiler and linker provided by a port or package.
 297 This table shows the default tool chain for each architecture.
 298 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Compiler" "Sy Linker"
 299 .It Sy Architecture Ta Sy Compiler Ta Sy Linker
 300 .It aarch64     Ta Clang     Ta lld
 301 .It amd64       Ta Clang     Ta lld
 302 .It armv6       Ta Clang     Ta lld
 303 .It armv7       Ta Clang     Ta lld
 304 .It i386        Ta Clang     Ta lld
 305 .It mips        Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
 306 .It mipsel      Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
 307 .It mipselhf    Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
 308 .It mipshf      Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
 309 .It mipsn32     Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
 310 .It mips64      Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
 311 .It mips64el    Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
 312 .It mips64elhf  Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
 313 .It mips64hf    Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
 314 .It powerpc     Ta Clang     Ta GNU ld 2.17.50
 315 .It powerpcspe  Ta Clang     Ta GNU ld 2.17.50
 316 .It powerpc64   Ta Clang     Ta lld
 317 .It riscv64     Ta Clang     Ta lld
 318 .It riscv64sf   Ta Clang     Ta lld
 319 .El
 320 .Pp
 321 (1) External toolchain provided by ports/packages.
 322 .Pp
 323 Note that GCC 4.2.1 is deprecated, and scheduled for removal on 2020-03-31.
 324 Any CPU architectures not migrated by then
 325 (to either base system Clang or external toolchain)
 326 may be removed from the tree after that date.
 327 make universe will not build mips
 328 architectures unless the xtoolchain binaries have been installed for
 329 the architecture.
 330 .Ss MACHINE_ARCH vs MACHINE_CPUARCH vs MACHINE
 331 .Dv MACHINE_CPUARCH
 332 should be preferred in Makefiles when the generic
 333 architecture is being tested.
 334 .Dv MACHINE_ARCH
 335 should be preferred when there is something specific to a particular type of
 336 architecture where there is a choice of many, or could be a choice of many.
 337 Use
 338 .Dv MACHINE
 339 when referring to the kernel, interfaces dependent on a specific type of kernel
 340 or similar things like boot sequences.
 341 .Bl -column -offset indent "Dv MACHINE" "Dv MACHINE_CPUARCH" "Dv MACHINE_ARCH"
 342 .It Dv MACHINE Ta Dv MACHINE_CPUARCH Ta Dv MACHINE_ARCH
 343 .It arm64 Ta aarch64 Ta aarch64
 344 .It amd64 Ta amd64 Ta amd64
 345 .It arm Ta arm Ta armv6, armv7
 346 .It i386 Ta i386 Ta i386
 347 .It mips Ta mips Ta mips, mipsel, mips64, mips64el, mipshf, mipselhf, mips64elhf, mipsn32
 348 .It powerpc Ta powerpc Ta powerpc, powerpcspe, powerpc64
 349 .It riscv Ta riscv Ta riscv64, riscv64sf
 350 .El
 351 .Ss Predefined Macros
 352 The compiler provides a number of predefined macros.
 353 Some of these provide architecture-specific details and are explained below.
 354 Other macros, including those required by the language standard, are not
 355 included here.
 356 .Pp
 357 The full set of predefined macros can be obtained with this command:
 358 .Bd -literal -offset indent
 359 cc -x c -dM -E /dev/null
 360 .Ed
 361 .Pp
 362 Common type size and endianness macros:
 363 .Bl -column -offset indent "BYTE_ORDER" "Sy Meaning"
 364 .It Sy Macro Ta Sy Meaning
 365 .It Dv __LP64__ Ta 64-bit (8-byte) long and pointer, 32-bit (4-byte) int
 366 .It Dv __ILP32__ Ta 32-bit (4-byte) int, long and pointer
 367 .It Dv BYTE_ORDER Ta Either Dv BIG_ENDIAN or Dv LITTLE_ENDIAN .
 368 .Dv PDP11_ENDIAN
 369 is not used on
 370 .Fx .
 371 .El
 372 .Pp
 373 Architecture-specific macros:
 374 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Predefined macros"
 375 .It Sy Architecture Ta Sy Predefined macros
 376 .It aarch64     Ta Dv __aarch64__
 377 .It amd64       Ta Dv __amd64__, Dv __x86_64__
 378 .It armv6       Ta Dv __arm__, Dv __ARM_ARCH >= 6
 379 .It armv7       Ta Dv __arm__, Dv __ARM_ARCH >= 7
 380 .It i386        Ta Dv __i386__
 381 .It mips        Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_o32
 382 .It mipsel      Ta Dv __mips__, Dv __mips_o32
 383 .It mipselhf    Ta Dv __mips__, Dv __mips_o32
 384 .It mipshf      Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_o32
 385 .It mipsn32     Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_n32
 386 .It mips64      Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_n64
 387 .It mips64el    Ta Dv __mips__, Dv __mips_n64
 388 .It mips64elhf  Ta Dv __mips__, Dv __mips_n64
 389 .It mips64hf    Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_n64
 390 .It powerpc     Ta Dv __powerpc__
 391 .It powerpcspe  Ta Dv __powerpc__, Dv __SPE__
 392 .It powerpc64   Ta Dv __powerpc__, Dv __powerpc64__
 393 .It riscv64     Ta Dv __riscv, Dv __riscv_xlen == 64
 394 .It riscv64sf   Ta Dv __riscv, Dv __riscv_xlen == 64
 395 .El
 396 .Pp
 397 Compilers may define additional variants of architecture-specific macros.
 398 The macros above are preferred for use in
 399 .Fx .
 400 .Ss Important Xr make 1 variables
 401 Most of the externally settable variables are defined in the
 402 .Xr build 7
 403 man page.
 404 These variables are not otherwise documented and are used extensively
 405 in the build system.
 406 .Bl -tag -width "MACHINE_CPUARCH"
 407 .It Dv MACHINE
 408 Represents the hardware platform.
 409 This is the same as the native platform's
 410 .Xr uname 1
 411 .Fl m
 412 output.
 413 It defines both the userland / kernel interface, as well as the
 414 bootloader / kernel interface.
 415 It should only be used in these contexts.
 416 Each CPU architecture may have multiple hardware platforms it supports
 417 where
 418 .Dv MACHINE
 419 differs among them.
 420 It is used to collect together all the files from
 421 .Xr config 8
 422 to build the kernel.
 423 It is often the same as
 424 .Dv MACHINE_ARCH
 425 just as one CPU architecture can be implemented by many different
 426 hardware platforms, one hardware platform may support multiple CPU
 427 architecture family members, though with different binaries.
 428 For example,
 429 .Dv MACHINE
 430 of i386 supported the IBM-AT hardware platform while the
 431 .Dv MACHINE
 432 of pc98 supported the Japanese company NEC's PC-9801 and PC-9821
 433 hardware platforms.
 434 Both of these hardware platforms supported only the
 435 .Dv MACHINE_ARCH
 436 of i386 where they shared a common ABI, except for certain kernel /
 437 userland interfaces relating to underlying hardware platform
 438 differences in bus architecture, device enumeration and boot interface.
 439 Generally,
 440 .Dv MACHINE
 441 should only be used in src/sys and src/stand or in system imagers or
 442 installers.
 443 .It Dv MACHINE_ARCH
 444 Represents the CPU processor architecture.
 445 This is the same as the native platforms
 446 .Xr uname 1
 447 .Fl p
 448 output.
 449 It defines the CPU instruction family supported.
 450 It may also encode a variation in the byte ordering of multi-byte
 451 integers (endian).
 452 It may also encode a variation in the size of the integer or pointer.
 453 It may also encode a ISA revision.
 454 It may also encode hard versus soft floating point ABI and usage.
 455 It may also encode a variant ABI when the other factors do not
 456 uniquely define the ABI (e.g., MIPS' n32 ABI).
 457 It, along with
 458 .Dv MACHINE ,
 459 defines the ABI used by the system.
 460 For example, the MIPS CPU processor family supports 9 different
 461 combinations encoding pointer size, endian and hard versus soft float (for
 462 8 combinations) as well as N32 (which only ever had one variation of
 463 all these).
 464 Generally, the plain CPU name specifies the most common (or at least
 465 first) variant of the CPU.
 466 This is why mips and mips64 imply 'big endian' while 'armv6' and 'armv7'
 467 imply little endian.
 468 If we ever were to support the so-called x32 ABI (using 32-bit
 469 pointers on the amd64 architecture), it would most likely be encoded
 470 as amd64-x32.
 471 It is unfortunate that amd64 specifies the 64-bit evolution of the x86
 472 platform (it matches the 'first rule') as everybody else uses x86_64.
 473 There is no standard name for the processor: each OS selects its own
 474 conventions.
 475 .It Dv MACHINE_CPUARCH
 476 Represents the source location for a given
 477 .Dv MACHINE_ARCH .
 478 It is generally the common prefix for all the MACHINE_ARCH that
 479 share the same implementation, though 'riscv' breaks this rule.
 480 For example,
 481 .Dv MACHINE_CPUARCH
 482 is defined to be mips for all the flavors of mips that we support
 483 since we support them all with a shared set of sources.
 484 While amd64 and i386 are closely related, MACHINE_CPUARCH is not x86
 485 for them.
 486 The FreeBSD source base supports amd64 and i386 with two
 487 distinct source bases living in subdirectories named amd64 and i386
 488 (though behind the scenes there's some sharing that fits into this
 489 framework).
 490 .It Dv CPUTYPE
 491 Sets the flavor of
 492 .Dv MACHINE_ARCH
 493 to build.
 494 It is used to optimize the build for a specific CPU / core that the
 495 binaries run on.
 496 Generally, this does not change the ABI, though it can be a fine line
 497 between optimization for specific cases.
 498 .It Dv TARGET
 499 Used to set
 500 .Dv MACHINE
 501 in the top level Makefile for cross building.
 502 Unused outside of that scope.
 503 It is not passed down to the rest of the build.
 504 Makefiles outside of the top level should not use it at all (though
 505 some have their own private copy for hysterical raisons).
 506 .It Dv TARGET_ARCH
 507 Used to set
 508 .Dv MACHINE_ARCH
 509 by the top level Makefile for cross building.
 510 Like
 511 .Dv TARGET ,
 512 it is unused outside of that scope.
 513 .El
 514 .Sh SEE ALSO
 515 .Xr src.conf 5 ,
 516 .Xr build 7
 517 .Sh HISTORY
 518 An
 519 .Nm
 520 manual page appeared in
 521 .Fx 11.1 .